PIN二極管在重摻雜的P區(qū)和N區(qū)之間夾有一層輕摻雜的本征區(qū)(I),，此類二極管廣泛用于射頻與微波領(lǐng)域。常見應(yīng)用是要求高隔離度和低損耗的微波開關(guān),、移相器和衰減器,。在測試設(shè)備、儀器儀表,、通信設(shè)備,、雷達和各種軍事應(yīng)用中，可以發(fā)現(xiàn)這類二極管的身影,。
開關(guān)電路中,，每個PIN二極管都有附隨的PIN二極管驅(qū)動器或開關(guān)驅(qū)動器,，用來提供受控正向偏置電流,、反向偏置電壓以及控制信號（通常是一個數(shù)字邏輯命令）與一個或多個PIN二極管之間的激活接口,。根據(jù)應(yīng)用需要,，可以采用分立設(shè)計或?qū)ｉTIC實現(xiàn)這種驅(qū)動器功能,。
另一方面,，也可以使用隨處可得的運算放大器以及箝位放大器,、差分放大器等特殊放大器作為備選方案,，代替分立PIN二極管驅(qū)動電路和昂貴的PIN二極管驅(qū)動器IC,。此類運算放大器具有寬帶寬,、高壓擺率和充裕的穩(wěn)態(tài)電流，可驅(qū)動PIN二極管,。本文討論三種不同的PIN驅(qū)動器電路,，它們采用運算放大器或特殊放大器：AD8037、AD8137和ADA4858-3,。這些電路設(shè)計用于單刀雙擲(SPDT) PIN二極管開關(guān),，但也可以對其進行修改，以適合其它電路配置,。在詳細說明這些電路之前,，本文將先討論PIN二極管的特性和使用。
PIN二極管
PIN二極管用作電流控制電阻，工作在RF和微波頻率,，正向偏置（“導(dǎo)通”）時其電阻只有幾分之一歐姆,，反向偏置（“截止”）時其電阻高達10 kΩ以上。與典型的PN結(jié)二極管不同,，PIN二極管的P區(qū)與N區(qū)之間多了一層高阻性本征半導(dǎo)體材料（用PIN中的“I”表示）,，如圖1所示。
圖1. PIN二極管
當(dāng)PIN二極管正向偏置時,，來自P材料的空穴和來自N材料的電子注入I區(qū),。電荷并不能立即完成重新合并；電荷重新合并所需的有限時間量稱為“載流子生命周期”,。這導(dǎo)致I區(qū)中存在凈存儲電荷,，因而其電阻會降至某一個值，稱為二極管的有效導(dǎo)通電阻RS（圖2a）,。
當(dāng)施加反向或零偏置電壓時,，二極管呈現(xiàn)為一個大電阻RP，它與電容CT并聯(lián)（圖2b）,。通過改變二極管幾何結(jié)構(gòu),，可以使PIN二極管具有不同的RS和CT組合，以滿足各種電路應(yīng)用和頻率范圍的需要,。
驅(qū)動器提供的穩(wěn)態(tài)偏置電流ISS和反向電壓共同決定RS和CT的最終值,。圖3和圖4顯示了典型PIN二極管系列 ——M/A-COM MADP042XX8-130601系列硅二極管的參數(shù)關(guān)系。二極管材料會影響其特性,。例如，砷化鎵(GaAs)二極管幾乎不需要反向偏置就能實現(xiàn)低CT值,，如圖9所示,。
圖3. 硅二極管導(dǎo)通電阻與正向電流的關(guān)系
圖4. 硅二極管電容與反向電壓的關(guān)系
PIN二極管中存儲的電荷可以利用公式1進行近似計算。
要導(dǎo)通或截止二極管,，必須注入或移除所存儲的電荷,。驅(qū)動器的工作就是以極快的速度注入或移除所存儲的電荷。如果開關(guān)時間小于二極管的載流子生命周期,，則可以利用公式2近似計算實現(xiàn)快速開關(guān)所需的峰值電流(IP),。
驅(qū)動器注入或移除電流（或“尖峰電流”）i可以表示為公式3。
PIN二極管偏置接口
將開關(guān)驅(qū)動器控制電路與PIN二極管相連,，以便通過施加正向或反向偏置來開關(guān)二極管,，是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。偏置電路通常使用一個低通濾波器,，它位于RF電路與開關(guān)驅(qū)動器之間,。圖5顯示了一個單刀雙擲(SPDT) RF開關(guān)及其偏置電路。當(dāng)設(shè)置妥當(dāng)時，濾波器L1/C2和L3/C4允許將控制信號施加于PIN二極管D1–D4,，控制信號與RF信號（從RF IN切換至PORT 1或PORT 2）的相互影響極少,。這些元件允許頻率相對較低的控制信號通過PIN二極管，但會阻止高頻信號逃離RF信號路徑,。不正常的RF能量損耗意味著開關(guān)的插入損耗過高,。電容C1、C3和C5阻止施加于二極管的直流偏置侵入RF信號路徑中的電路,。直流接地回路中的電感L2允許直流和低頻開關(guān)驅(qū)動器信號輕松通過,，但對于RF和微波頻率則會呈現(xiàn)高阻抗，從而降低RF信號損耗,。
圖5. 典型單刀雙擲(SPDT) RF開關(guān)電路
偏置電路,、RF電路和開關(guān)驅(qū)動器電路全都會發(fā)生交互，影響彼此的性能,，因此像所有設(shè)計一樣,，權(quán)衡考慮各種因素十分重要。例如,，較大的C2和C4 (>20 pF)對RF性能有利,，但對驅(qū)動器則是麻煩，因為大電容會導(dǎo)致上升沿和下降沿較慢,?？焖匍_關(guān)對大多數(shù)應(yīng)用都有利；因此,，為了實現(xiàn)最佳驅(qū)動器性能,，電容必須極小，但為了滿足RF電路要求,，電容又必須足夠大,。
傳統(tǒng)PIN二極管驅(qū)動器
PIN二極管驅(qū)動器有各種形狀和尺寸。圖6給出了一個可提供高開關(guān)速度的典型分立開關(guān)驅(qū)動器的原理圖,。這種驅(qū)動器既可以采用“片線”（混合）結(jié)構(gòu)來實現(xiàn),，也可以采用“表貼”(SMT)器件來實現(xiàn)；前者非常昂貴,，后者雖不昂貴,，但需要的印刷電路板(PCB)面積多于混合結(jié)構(gòu)。
圖6. 分立開關(guān)驅(qū)動器電路
還有專用開關(guān)驅(qū)動器集成電路(IC),；這些IC十分緊湊,，提供TTL接口，并具有良好的性能,，但靈活性有限,，而且往往很昂貴。還有一種開關(guān)驅(qū)動器架構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮，即采用運算放大器,。運算放大器開關(guān)驅(qū)動器的明顯優(yōu)勢在于其自身的靈活性,，可以輕松地對其進行配置，以適應(yīng)不同的應(yīng)用,、電源電壓和條件,，為設(shè)計人員提供豐富的設(shè)計選項。
運算放大器PIN二極管驅(qū)動器
運算放大器電路是一種很有吸引力的PIN二極管驅(qū)動備選方案,。除靈活性外,，這種電路常常還能以接近或超過1000 V/μs的躍遷速度工作。下面將介紹三種不同的RF PIN二極管放大器驅(qū)動電路,。所選放大器雖然在根本特征上各不相同,，但都能執(zhí)行類似的功能。這些放大器電路可以驅(qū)動硅或砷化鎵(GaAs) PIN二極管,，但各有各的特點,。
AD8037 — 箝位放大器
該電路能以最高10 MHz的頻率工作，具有出色的開關(guān)性能,，總傳播延遲為15 ns,。通過改變增益或箝位電壓，可以調(diào)整輸出電壓和電流,，以適應(yīng)不同的應(yīng)用,。
箝位放大器AD8037原本設(shè)計用于驅(qū)動ADC，可提供箝位輸出以保護ADC輸入不發(fā)生過驅(qū),。圖7所示配置用一對AD8037（U2和U3）驅(qū)動PIN二極管,。
圖7. AD8037 PIN二極管驅(qū)動器電路
本例中，U2和U3采用同相配置,，增益為4,。利用AD8037的獨特輸入箝位特性，可以實現(xiàn)極其干凈和精確的箝位,。它可以線性放大輸入信號，最高可達增益乘以正負箝位電壓（VCH和VCL）,。當(dāng)增益為4且箝位電壓為±0.75 V時,，如果輸入電壓小于±0.75 V，則輸出電壓等于輸入電壓的4倍,；如果輸入電壓大于±0.75 V,，則輸出電壓箝位在最大值±3 V。這一箝位特性使得過驅(qū)恢復(fù)非?？欤ǖ湫椭敌∮? ns）,。箝位電壓（VCH和VCL）由分壓器R2、R3、R7和R8確定,。數(shù)字接口由74F86 XOR邏輯門(U1)實現(xiàn),，它提供U2和U3所用的驅(qū)動信號，兩路互補輸出之間的傳播延遲偏斜極小,。電阻網(wǎng)絡(luò)R4,、R5、R6和R9將TTL輸出電平轉(zhuǎn)換為大約±1.2 V,，然后通過R10和R12饋送給U2和U3,。
U2和U3的±1.2-V輸入提供60%過驅(qū)，以確保輸出會進入箝位狀態(tài)(4 × 0.75 V),。因此,，硅PIN二極管驅(qū)動器的輸出電平設(shè)為±3V。電阻R16和R17限制穩(wěn)態(tài)電流,。電容C12和C13設(shè)置PIN二極管的尖峰電流,。
AD8137 — 差分放大器
差分放大器（本例所用的AD8137）可以低成本提供出色的高速開關(guān)性能，并使設(shè)計人員能夠十分靈活地驅(qū)動各種類型的RF負載,。有各種各樣的差分放大器可供使用,，包括速度更快、性能更高的一些器件,。高速差分放大器AD81374通常用于驅(qū)動ADC,，但也可以用作低成本、低功耗PIN二極管驅(qū)動器,。其典型開關(guān)時間為7 ns至11 ns,，其中包括驅(qū)動器和RF負載的傳播延遲。它提供互補輸出,，功能多樣,，可以替代昂貴的傳統(tǒng)驅(qū)動器。
圖8所示電路將單端TTL輸入（0 V至3.5 V）轉(zhuǎn)換為互補±3.5V信號,，同時可使傳播延遲最小,。TTL信號放大4倍，在AD8137輸出端產(chǎn)生所需的±3.5V擺幅,。TTL信號的中點（或共模電壓）為1.75 V,；必須將同樣的電壓施加于R2,作為參考電壓VREF，以免在放大器輸出端引入共模失調(diào)誤差,。最好從一個低源阻抗驅(qū)動此點,；任何串聯(lián)阻抗都會增加到R1上，從而影響放大器增益,。
圖8. PIN二極管驅(qū)動器原理圖
輸出電壓增益可由公式4計算：
為正確端接脈沖發(fā)生器的輸入阻抗,，使之為50 Ω,，需要確定差分放大器電路的輸入阻抗。這可以利用公式5計算,，得出RT = 51.55 Ω,，與之最接近的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻值為51.1 Ω。對于對稱的輸出擺幅,，兩個輸入網(wǎng)絡(luò)的阻抗必須相同,。這意味著，反相輸入阻抗必須將信號源的Thévenin阻抗和端接電阻納入增益設(shè)置電阻R2,。
圖8中,，R2約比R1大20 Ω，以補償源電阻RS與端接電阻RT的并聯(lián)組合所引入的額外電阻(25 Ω),。將R4設(shè)為1.02 kΩ（最接近1.025 kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻值）,，以確保兩個電阻比相等，避免引入共模誤差,。輸出電平轉(zhuǎn)換很容易利用AD8137的VOCM引腳來實現(xiàn),，該引腳設(shè)置直流輸出共模電平。本例中,，VOCM引腳接地,，以提供關(guān)于地的對稱輸出擺幅。
電阻R5和R6設(shè)置穩(wěn)態(tài)PIN二極管電流,，如公式6所示,。
電容C5和C6設(shè)置尖峰電流，該電流有助于注入和移除PIN二極管中存儲的電荷,?？梢愿鶕?jù)特定二極管負載要求，調(diào)整這些電容的值,，實現(xiàn)性能優(yōu)化,。尖峰電流可以由公式7計算。
ADA4858-3 — 內(nèi)置電荷泵的三通道運算放大器
許多應(yīng)用只提供一個電源,，這常常令電路設(shè)計人員感到為難,，尤其是當(dāng)需要在PIN電路中提供低關(guān)斷電容時。這種情況下,，硅或GaAs PIN二極管驅(qū)動電路可以使用片上集成電荷泵的運算放大器,，而不需要外部負電源；其好處是可以顯著節(jié)省空間,、功耗和預(yù)算。
高速電流反饋型三通道放大器ADA4858-3就是這樣一種器件,，它具有出色的特性,，片上集成電荷泵,，輸出擺幅可以達到地電壓以下–3 V至–1.8 V（具體取決于電源電壓和負載）。該器件十分魯棒,，可以真正為其它電路提供最高50 mA的負電源電流,。
ADA4858-3為單電源系統(tǒng)中的互補PIN二極管微波開關(guān)驅(qū)動問題提供了一種獨特的解決方案?；仡檲D4,，從中可以看出：即使很少量的反向偏置也有助于降低二極管電容CT，具體取決于PIN二極管的類型,。此類驅(qū)動器對GaAs PIN二極管很有利,，因為這種二極管通常不需要很大的負偏置就能使關(guān)斷電容(CT)保持較小的值（圖9）。
圖9. GaAs CT電容與電壓的關(guān)系
圖10所示電路用ADA4858-3作為PIN二極管驅(qū)動器,?？梢栽谳斎攵嗽黾右粋€緩沖門，使該電路兼容TTL或其它邏輯,。對此電路的要求是將TTL 0V至3.5V輸入信號擺幅轉(zhuǎn)換為互補–1.5V至+3.5V擺幅,，用于驅(qū)動PIN二極管。
圖10. ADA4858-3用作PIN二極管驅(qū)動器
R1,、R2,、R3和U1C形成該電路的–1.5V基準(zhǔn)電壓，內(nèi)部負電壓CPO由片內(nèi)電荷泵產(chǎn)生,。電容C3和C4是電荷泵工作所必需的,。負基準(zhǔn)電壓隨后通過分壓器（R5和R9）與VTTL輸入以無源方式合并。所產(chǎn)生的電壓(VRD)出現(xiàn)在U1B的同相輸入端,。U1B輸出電壓可以利用公式8計算,。
負基準(zhǔn)電壓也被饋送至放大器U1A，在其中與TTL輸入合并,，所得輸出電壓V2可以利用公式10計算,。
這些放大器采用電流反饋架構(gòu)，因此必需注意反饋電阻的選擇,，反饋電阻對于放大器的穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)有著重要作用,。對于本應(yīng)用，反饋電阻設(shè)為294 Ω,，這是數(shù)據(jù)手冊所推薦的值,。輸出電壓V1和V2分別可以用公式8和公式10表示。輸出尖峰電流量可以利用公式3和電容C5,、C6上的電壓確定,。設(shè)置PIN二極管導(dǎo)通電阻的穩(wěn)態(tài)電流由R11與R12上的電壓差確定，并取決于PIN二極管曲線和系統(tǒng)要求,。
對于本應(yīng)用,，RF開關(guān)負載為MASW210B-1硅PIN二極管單刀雙擲（SPDT）開關(guān),，用于微波下變頻器的前端（圖11）。
圖11. 下變頻器功能框圖
開關(guān)輸出波形和TTL輸入信號如圖12所示,。請注意,，上升沿和下降沿非常陡峭。由于開關(guān)的開關(guān)時間要求相對較慢（約為50 ns）,，因此本應(yīng)用沒有使用尖峰電容C5和C6,。設(shè)置穩(wěn)態(tài)二極管電流的電阻R11和R12均為330 Ω。
圖12. 顯示RF開關(guān)速度的波形
圖13. 下變頻器的頻譜響應(yīng)
圖13顯示了下變頻器前端的頻譜響應(yīng),；開關(guān)SW1位于固定位置,，以消除插入損耗。請注意,，圖中不存在諧波或邊帶,，充分表明沒有明顯的100 kHz開關(guān)偽像從ADA4858-3片內(nèi)電荷泵散出，這是在此類應(yīng)用中使用這些器件的重要考慮因素,。
結(jié)束語
如以上三例所示,，運算放大器可以創(chuàng)造性地用作傳統(tǒng)放大器的替代方案，其性能與PIN二極管專用驅(qū)動IC相當(dāng),。此外,，運算放大器可以提供增益調(diào)整和輸入控制功能，而且當(dāng)使用內(nèi)置電荷泵的運算放大器時,，無需負電源,，這就提高了PIN二極管的驅(qū)動器和其它電路的設(shè)計靈活性。運算放大器易于使用和配置,，可以相對輕松地解決復(fù)雜問題,。